آینده موتورهای بنزینی در خودروها

موتورهای آینده و چگونگی آن به بحث داغ محافل صنعتی و دانشگاهی تبدیل شده است سوخت هیدروژن, سوخت گاز, سوخت های گیاهی به همراه موتورهای اصلاح شده بنزینی یا دیزلی و موتورهای هیبریدی گوشه ای از تلاش های صورت گرفته برای دستیابی به موتورهای جدید است

موتورهای آینده و چگونگی آن به بحث داغ محافل صنعتی و دانشگاهی تبدیل شده است. سوخت هیدروژن، سوخت گاز، سوخت‌های گیاهی به همراه موتورهای اصلاح شده بنزینی یا دیزلی و موتورهای هیبریدی گوشه‌ای از تلاش‌های صورت گرفته برای دستیابی به موتورهای جدید است. مركز تحقیقات موتور آلمان نیز در یك بررسی، در زمینه موتورهای بنزینی نظیر كوچك‌سازی، موتورهای با تزریق مستقیم (GDI) و سیستم سوپاپ‌های كاملا متغیر برای ادامه حیات موتورهای احتراق داخلی در بحران سوخت و آلایندگی خودروها در ۱۰ سال آینده فن‌آوری‌های جدید را چاره‌ساز می‌داند. آلایندگی و مصرف سوخت خودروها به دلیل محدودیت‌های زیست محیطی، ظرف ۱۰ سال آینده باید به میزان قابل توجهی بهبود یابد. در زمینه موتورهای بنزینی، نظیر كوچك‌سازی موتورها به لحاظ اندازه (Downsizing) با استفاده از تقویت بالای آنها (High Boosted)، موتورهای با تزریق مستقیم (GDI) و سیستم سوپاپ‌های كاملا متغیر (Fully Variable Valve Train) فن‌آوری‌های جدید در حال توسعه هستند. در مورد موتورهای دیزل نیز انژكتورهای پیزوالكتریك، فیلترهای ذرات معلق و سیستم كاتالیست‌های DeNOx بخش‌هایی هستند كه انتظار می‌رود توسعه یابند.تكنولوژی پیزوالكتریك، كنترل بسیار سریع‌تر و دقیق‌تری بر تزریق سوخت داشته و آن را تسهیل می‌كند، در این حال، روش پیزوالكتریك برای خودروسازان اروپایی مورد توجه بسیار قرار گرفته است. به طوری كه سیستم واكنش تا چهار برابر سریع‌تر از سیستم سونولودی است و به مهندسان این امكان را داده كه چرخه تزریق سوخت را با پنج فواره پاشش ارتقا دهند. در این حال دو فواره پاشش (جلو)، یك فواره پاشش اصلی در وسط و دو فواره پاشش در عقب، وظیفه پاشش سوخت در سیلندر را برعهده دارند. روش پیزوالكتریك به معنی انرژی دادن الكتریكی به مقدار زیاد الكترود و ورق‌های نازك سرامیكی است كه انبساط ایجاد كرده و سوزن‌های تزریق‌كننده را بلند می‌كند. این تكنولوژی زمان واكنش را بسیار سریع كرده و كنترل میزان سوخت تزریقی را نیز بهبود می‌دهد. فواره پاشش‌های جلو از پیش اتاقك احتراق را گرم می‌كند تا برای رسیدن فواره پاشش‌های اصلی آماده شوند و فواره پاشش‌های عقب احتراق را حفظ می‌كند تا دوده به طور كامل بسوزد.

الزامات استانداردهای آلایندگی در آینده

قوانین اروپایی روی آلاینده‌های خطرناك اگزوز كه در سال ۲۰۰۰ نسبتا سختگیرانه به اجرا درآمد، در سال ۲۰۰۵ سختگیرانه‌تر شده است. محدودیت‌های استاندارد آلایندگی EURO IV برای آلاینده‌های HC و NOX و ذرات معلق حدود ۵۰ درصد سطح كنونی این گازهای مضر است. (استاندارد آلایندگی اروپا در سال ۲۰۰۴ مطابق با استاندارد EURO III بود. مرحله بعد در استانداردهای اروپایی كه EURO V نامیده می‌شود، احتمالا با تمركز بر ذرات معلق، به بهینه‌سازی بیشتری نیاز دارد. از سوی دیگر در استاندارد آمریكایی TIER ۲ كاهش مرحله به مرحله NMOG (گازهای اورگانیك غیرمتان) و كاهش متوسط NOX ناشی از ناوگان اتوبوسرانی از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۰۷ مدنظر است. از سال ۲۰۰۳ به بعد در كالیفرنیا باید حداقل ۱۰ درصد فروش هر سازنده خودرو خودروهایی با آلایندگی صفر یا معادل آن بوده باشد. نگرانی در مورد اثر گازهای گلخانه‌ای، خودروسازان اروپایی را وادار كرده است كه تا سال ۲۰۰۸ خودروهایی تولید كنند كه متوسط CO۲ منتشره از آنها زیر ۱۴۰ gr/Km باشد. یعنی كاهش مصرف سوخت باید به میزان بیش از ۲۵ درصد در مقایسه با سطح تعیین شده در سال ۱۹۹۵ باشد. همچنین كاهش بیشتر به سطح ۱۲۰ gr/Km تا سال ۲۰۱۲ نیز در سال ۲۰۰۳ تحت بحث و بررسی قرار گرفت. از طرفی، همزمان با طرح مباحث آلایندگی، مشتریان نیازمند ایمنی و آسایش بیشتری نسبت به سابق خواهند بود كه این مساله تنها با افزایش وزن خودرو میسر خواهد شد و واضح است كه این موضوع با مصرف كمتر انرژی منافات دارد. همچنین ضمن حفظ حداقل عملكرد خودرو، نباید هزینه مالكیت خودرو افزایش یابد. در این حال، كار طراحان بسیار سخت است. از طرفی باید جلوی هزینه‌های اضافی را بگیرند و از سوی دیگر باید كاهش آلودگی را در كنار افزایش ایمنی و مصرف سوخت مورد توجه قرار دهند.

فن‌آوری آینده در موتورهای بنزینی

هدف اصلی در توسعه موتورهای اشتعال جرقه‌ای، بهبود مصرف سوخت و در نتیجه كاهش انتشار گاز Co۲ است. از دیدگاه ترمودینامیك، دستیابی به راندمان بیشتر با عملكرد موتور در بارهای زیاد و كاهش در افت تبادل گاز و حرارت در بارهای جزئی ممكن است. راه‌حل‌هایی كه تاكنون پیشنهاد شده‌اند عبارت از:كوچك‌سازی سایز موتورها و استفاده از سوپر شارژ، فن‌آوری سوپاپ‌های كاملا متغیر و پاشش مستقیم.كوچك‌سازی (DOWNSIZING)یك استراتژی برای بهبود قابل توجه در مصرف سوخت، كاهش حجم جابجایی موتور با حفظ شكل منحنی گشتاور است. با افزایش فشار تغذیه تا ۵/۲ بار و كاهش نسبت تراكم در بارهای زیاد می‌توان به این هدف دست یافت. مصرف سوخت ویژه در بارهای جزئی در حدود ۵/۲ درصد بهبود یافته است. سوپرشارژهای مكانیكی با راندمان بالا دستیابی به گشتاورهای لحظه‌ای و بالا را فراهم می‌كند. استفاده از سوپر شارژ به پدیده ناك یا ضربه در بارهای زیاد منجر می‌شود. برای جلوگیری از این موضوع یك سیستم نسبت تراكم متغیر ابداع شده است تا با كاهش نسبت تراكم، دستیابی به فرایند احتراق بدون ناك را در بارهای زیاد ممكن سازد؛ و این در حالی است كه می‌تواند در بارهای جزئی، تراكم بهینه را حفظ كند.

سیستم سوپاپ‌بندی كاملا متغیر

با سیستم سوپاپ‌بندی كاملا متغیر می‌توان روش‌های مدیریت سیلندر و سوپاپ‌ها را معرفی كرد. در حال حاضر، سوپاپ‌هایی ساخته شده‌اند كه می‌توانند با استفاده از نیروی الكترومغناطیسی و یك بازو مابین فنرهای مكانیكی، هرگونه پروفیل باز و بسته شدن را برای سوپاپ‌ها ایجاد كند. با كنترل جریان الكتریكی، بازو می‌تواند در موقعیت انتهایی خود نگه داشته شود، بنابراین، سوپاپ مطابق با نیاز می‌تواند باز یا بسته نگه داشته شود. از آنجا كه زمانبندی سوپاپ‌ها می‌تواند به صورت آزادانه تنظیم شود، جرم هوای ورودی و گازهای باقیمانده را می‌توان با سوپاپ‌ها تعیین كرد. از این طریق می‌توان از افت دریچه گاز اجتناب كرد و میزان تشكیل NOX را در بارهای جزئی كاهش داد. از آنجا كه در این روش زمانبندی هر سوپاپ برای هر سیلندر را می‌توان به صورت جداگانه تنظیم كرد، بنابراین، فعال یا غیرفعال كردن هر سیلندر با این روش میسر می‌شود (Cylinder Cut Off) . اندازه‌گیری مصرف سوخت نمونه‌های ساخته شده بر اساس این تكنیك، كاهش مصرف سوخت تا ۱۵ درصد و در صورت به‌كارگیری فرایند غیرفعال‌سازی سیلندرها تا ۲۰ درصد را نشان می‌دهد.

پاشش مستقیم

ابداع سیستم‌های جدید تزریق با فشار بالا و پیشرفت در سیستم كاتالیست‌های DeNOx به اولین تولید انبوه موتورهای پاشش مستقیم بنزینی با شارژ طبقه‌ای (Stratified charge direct injection gasoline engine) منجر شده كه كاهش مصرف سوخت بین ۱۰ تا ۱۵ درصد را به ارمغان آورده است. برای دستیابی به بهترین مصرف سوخت، این موتورها در بارهای جزئی و مخلوط هوا و سوخت بسیار رقیق كار می‌كنند.در بارهای زیاد یا بار كامل به منظور تامین حداكثر قدرت خروجی، مخلوط هوا و سوخت به صورت همگن وارد محفظه احتراق می‌شود. برای پایداری فرایند احتراق و اجتناب از تشكیل SOOT (دوده) در بارهای جزئی، حالت مخلوط هوا و سوخت با حركت كنترل شده هوای ورودی تامین می‌شود. مخلوط با حركت پیچشی رو به جلو (Forward Air Tumble) در فاصله هوایی شمع پایدار می‌شود. پایداری فرایند احتراق در موتورهای GDI، به دلیل نسبت هوا به سوخت بالا (رقیق‌سوز بودن) ، از چالش‌های اساسی این نوع موتورهاست. در این حالت از یك انژكتور نوع چرخشی (Swirl-Type) استفاده می‌شود. نسل بعدی سیستم‌های پاشش مستقیم، عملكردی شبیه به فرایند احتراق در موتورهای دیزل یعنی پاشش توام با فرایند احتراق خواهند داشت. از آنجا كه كاتالیست‌های سه راهه تنها در شرایط استوكیومتریك عمل می‌كنند، یك سیستم كاتالیستی DeNOx باید به مجموعه افزوده شود تا كاهش آلاینده‌ها را در فرایند شارژ طبقه‌ای مطمئن كند.موتورهای تزریق مستقیم كه در چند شركت مختلف در حال پیگیری است، شامل سیستم‌های GDI و D۴ و HDI است. البته شركت بوش آلمان نیز طرح‌های گسترده‌ای را در حال بررسی دارد. این سیستم به وسیله پاشش مستقیم سوخت داخل سیلندر همانند موتورهای دیزلی عمل می‌كند. البته این فرق وجود دارد كه این سیستم با توجه به گسترش صنعت الكترونیك اجازه ظهور پیدا كرده و از برنامه‌های پیچیده نرم‌افزاری و سخت‌افزارهای پیچیده رایانه‌ای با توجه به قوانین پیچیده مكانیكی پشتیبانی می‌شود از مزایای موتورهای تزریق مستقیم، می‌توان به بهبود مصرف سوخت به میزان غیرقابل تصور كه تا حدی برطرف‌كننده چالش‌های انرژی‌های فسیلی است اشاره كرد. افزایش بازده تنفسی (خشك شدن مخلوط سوخت و هوا در سیلندر)، كاهش افت حرارتی در حالت پاشش هنگام ایجاد مخلوط لایه‌ای، افزایش نسبت تراكم و افزایش حد خودسوزی، كاهش تولید Co۲ و تنظیم دقیق‌تر نسبت هوا به سوخت از دیگر مزایای این موتورهای جدید است. از ویژگی فناوری اجرا شده در طرح پاشش مستقیم می‌توان به عمود كردن دریچه ورودی هوا اشاره كرد. این امر باعث می‌شود جریان هوا در سیلندر به صورت مطلوب كنترل شود. همچنین جهت احتراق بهتر و هدایت سوخت به اطراف شمع تاج سمبه سیلندر منحنی شكل است و پمپ سوخت فشار قوی جهت تغذیه افشانه‌ها به كار رفته است. البته افشانه چرخش‌دهنده فشار قوی برای مخلوط سوخت و هوایی مناسب به كار رفته است. موتورهای تزریق مستقیم در عین اینكه باعث كاهش مصرف سوخت می‌شود، قدرت خروجی موتور را نیز افزایش می‌دهد. برای این منظور باید زمانبندی پاشش سوخت مناسب با بار موتور تغییر كند. در حالت بار جزئی تحت شرایط رانندگی شهری، پاشش به صورت دیر هنگام و در انتهای مرحله تراكم صورت می‌گیرد. با این كار، احتراق در یك مخلوط خیلی رقیق انجام می‌شود، زیرا مخلوط سوخت وهوا به صورت لایه‌ای تشكیل می‌شود در حالت بار كامل با سرعت‌های بالا، سوخت در مرحله مكش پاشیده می‌شود. این كار باعث تشكیل یك مخلوط همگن سوخت هوا می‌شود. در موتورهای بنزینی افشانه چند نقطه‌ای محدودیت‌هایی جهت رقیق ساختن مخلوط سوخت و هوا تا حد زیادی وجود دارد؛ زیرا باعث رقیق ساختن مخلوط سوخت و هوا و باعث تغییرات شدید خصوصیات احتراق و ناپایداری احتراق می شوند. در صورتی كه مخلوط لایه‌ لایه‌ای در سیستم پاشش مستقیم سوخت بدون آنكه احتراق ضعیف‌تر شود، باعث می‌شود مقدار رقیق شدن مخلوط به میزان زیاد افزایش یابد. به عنوان مثال در دور آرام یعنی وقتی احتراق ناپایدار است، موتور پاشش مستقیم یك احتراق سریع و پایداری را حتی با مخلوطی با نسبت هوا به سوخت یك ۵۵ دارد در صورتی كه در موتورهای عادی در نسبت یك به ۲۰ عطسه گازی به وجود می‌آید. این موتورها باعث بهبود بازده تنفسی در حدود ۵ درصد، افزایش تراكم، عملكرد شتاب گشتاور و توان موتور به میزان ۱۰ درصد و كاهش حدود ۴۰ درصدی مصرف سوخت می‌شود. موتورهای d۴ شركت تویوتا، و GDI میتسوبیشی، موتور تزریق مستقیم بوش نیز از معروف‌ترین این‌گونه موتورها هستند. این سیستم تنها با سنسورهای قوی و برنامه پیچیده رایانه‌ای كار می‌كند. این موتورها آینده روشنی را تا سال ۲۰۱۲ برای موتورهای احتراق داخلی رقم زده كه پیش‌بینی می‌شود از سال ۲۰۱۲ به بعد موتورهای پیل سوختی به تدریج جایگزین موتورهای احتراق داخلی بنزینی شوند. با این حال، بسیاری پیش‌بینی می‌كنند موتورهای بنزینی و اصلاحات انجام شده در آن، عمر این‌گونه موتورها را حداقل تا ۱۵ سال آینده تضمین كند.